阴极保护技术在电力接地网系统应用探讨

□王 浩(濮阳市豫安防腐有限公司)

一、阴极保护

利用阴极保护技术预防接地网的自然腐蚀和表面结垢现象,能有效地保证接地系统的完整性，使接地电阻小于规定的0.5Ω，保证供电生产安全。

（一）该技术的特点

阴极保护技术有充分的理论依据，根据各地的土质及地表介质的不同性质，依据变电站运行的年限，一般设计保护年限为30～50年，在此期间，使接地网的接地电阻小于0.5Ω，与其他方法相比，该技术的防腐保护效果非常明显。

（二）接地网系统腐蚀机理

金属在海水、淡水及土壤介质中的腐蚀主要为电化学腐蚀，另外还有微弱的细菌腐蚀及杂散电流腐蚀。其腐蚀等级分为强、中、弱3种，具体如表1。

表1 腐蚀等级表

在腐蚀等级较强和中等地区，主要为酸、碱性土壤介质，就要考虑接地网保护问题。在弱腐蚀地区，主要为岩石介质，就要考虑降阻问题。

电化学腐蚀的机理：由于金属中总是含一定量杂质，如角钢、扁钢或圆钢等，除了铁质之外，还有少量碳(C)等，当放在酸、碱土壤介质中时，Fe与C分别产生了电极电位即：

上式中对Fe和C虽然环境相同，但反应各种物质介质E是不相同的，所以Fe的E和C的E的值不相同，在Fe与C之间，必然形成电位差，当构成闭合电路时，有腐蚀电流通过，腐蚀因此产生了。这种腐蚀是微电池腐蚀，但腐蚀的快慢决定了腐蚀电流的大小，腐蚀电流由两个因素决定：即Fe-C极间电阻的数值和电极附近的土壤介质及其含氧量。

接地网系统中的另一种腐蚀为宏电池腐蚀，主要是因为同一个地网，有时处在不同的土壤中，造成接地网周围含氧量及其介质的不同，而形成宏电池，腐蚀严重，而发生在土壤交界处的腐蚀，会使金属形成穿孔腐蚀或断开。

在潮湿的土壤中，地网接地电阻小，但腐蚀严重，在干燥土壤中则相反。故在利用阴极保护技术保护地网时，必须参考腐蚀等级的划分。

（三）地网电化学保护

根据电化腐蚀原因的分析，针对上面的叙述，可采取措施降低Fe-C极间的电位差，或者在地网中加上一种物质，使其电位比铁更负。地网电化学保护，就是采用的后一种方法。

阴极保护就是对被保护的金属施加一定的阴极电流，使其产生阴极极化,当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法两种，前者是将一种电位更负的金属或合金与被保护金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断消耗溶解，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。地网电化学保护就是利用阴极保护技术的牺牲阳极法，通过合理的设计可获得良好的保护。

（四）牺牲阳极产品

近年来，针对不同的使用条件，有关研究部门先后研制了高效铝合金牺牲阳极、耐高温牺牲阳极、高活化性能铝合金牺牲阳极、高效镁合金牺牲阳极以及土壤中使用的各种阳极填料。

地网电化保护的牺牲阳极主要为锌合金和镁合金牺牲阳极，为减少接地电阻和保持阳极活性，将该阳极在土壤介质中应用时，在阳极周围必须加装填充料。

镁合金牺牲阳极的电化学性能如表2，接地网地下金属结构阴极保护用镁牺牲阳极型号、规格见表3。

表2 镁合金牺牲阳极的电化学性能表

表3 接地网地下金属结构阴极保护用镁牺牲阳极型号规格表

（五）技术数据、经费概算及经济比较

1.牺牲阳极保护材料用量的计算

本文的保护对象以60×6的镀锌扁铁为准，长度为1000m，腐蚀介质以中性土壤且地下周边环境水位偏高，设计的保护年限Y以30年为准。

保护电流密度(if)的选用：由于中性通气土壤钢铁的保护电流密度为10～50mA/m2，且周边环境地下水位较高，故本站保护电流密度选定为22 mA/m2。

主地网被保护面积S的计算：S=[0.06×2+0.006×2]×1000=132 m2，保护电流 I计算：I=if·S=0.022×132=2.904(A)阳极材料的选定：由于镁合金阳极比重小，电位相当负，比较适合于各种土壤介质中，故本文采用镁合金阳极作为阴极保护材料。

镁牺牲阳极用量(W)的计算:W=I·Y×Y单/(I单×P)，其中：Y—保护年限；I—保护电流；Y单—每年折算小时数；I单—单位发生电量；P—镁阳极利用系数。

镁阳极块数的计算：根据具体情况，本站所用镁阳极为14kg重的阳极块。

阳极块数的计算:

2.牺牲阳极在地网中的分布设计

在主地网和避雷针地网中分别依靠地网一点作为参照物，在该点放置一块阳极块，然后以该块阳极为依据，根据水平地网及垂直接地极的分布，采用重心分布的原则进行阳极块在地网中的分布。

3.接地支线保护设计

接地支线(包括室内和电缆沟内)由于受到大气腐蚀，所以采用涂刷丙烯聚氨脂漆3道的方法进行防腐保护。

4.测试桩的设计及测试

测试桩的设计所用材料及图纸由中船重工725所提供。测试用摇表法和电流电压法对保护的地网进行测试，要求达到如下标准。一是经阴极保护后，被保护的钢铁结构相对于标准Cu/CuSO4参比电极的电位值为-0.85～-1.05V，不宜超过此范围值，≮-1.2V，否则将会过保护造成不必要的浪费。二是阴极保护接通和断开的两种情况相比，接通时的结构物直流电位比断开时低300mv。三是极化电位=‖OFF时电位‖-‖自然电位‖＞100mv。四是接地电阻≯0.5Ω。

5.经费概算

依据上面论述的有关技术数据，参照市场镁阳极的有关价格，可得镁阳极造价为：816.2×55=44891(元)。镁阳极辅助材料价格约为：44891×30%=13467.3(元)。故 1000m、60×6 的扁钢保护30年所需牺牲阳极造价为：44891+13467.3=58358.3(元)。敷设人工费及调试费经计算为14589.6。牺牲阳极总造价为：58358.3+14589.6=72947.9(元)。

6.经济比较

（1）主材料造价。1000m、60×6的扁铁的造价为

1000×2.83×2.8=7924(元)

用阴极保护技术可使该接地网多运行30年而不被更换，而一般未加牺牲阳极的地网一般在7年左右就需重新更换，故在30年内不加牺牲阳极接地网的主材料造价为：

（2）辅材料造价。由于现在运行的变电站90%以上均为水泥混凝土硬化路面，故更换接地网需开挖水泥路面，并要重新铺设恢复。1000m、60×6地网铺设一次需要硬化的水泥混凝土数量：0.6×0.2×1000=120m3；1 m3水泥混凝土的配比为：水泥0.25t、砂子 0.55 m3、石子 0.85 m3，故需水泥 30t、砂子 66m3、石子102 m3，故更换4次接地网需铺设水泥混凝土造价为：[30×140+66×55+102×70]=59880(元)

（3）人工费造价。根据预算，铺设1000m、60×6镀锌扁钢接地网人工费造价为：88473.51(元)。更换4次地网需人工费造价为：353894.04(元)

（4）30年内更换4次接地网总造价为①+②+③=447734.04(元)

（5）经济比较：铺设1000m地网外加牺牲阳极保护安全运行30年的总造价为：72947.9+111367.51=184315.41(元)

故外加牺牲阳极保护接地网在同样安全运行30年的情况下可节省的资金为：263418.63(元)。利用阴极保护技术建设地网的费用占不利用该技术的费用比为41.2%。

（六）阴极保护系统的安装

1.卫生与安全考虑

全部施工作业都应按适用规范进行。

2.通报

在开挖之前，应及时通知有关部门使他们能在计划中的施工地段标出任何地下建筑物的位置，以免意外地对这些建筑物造成损害。

3.现场条件

施工前应对地下接地网区域的施工图纸进行审查，并考虑某些其它因素，如地下水位、地上构筑物等。

4.安装程序

一是安装时应与有关的操作人员进行协调，最大限度地减少安装工作对生产的影响；二是阴极保护系统的所有施工工作均应符合施工图和技术规范的要求；三是阴极保护系统的安装应在经过培训的合格人员的监督下进行，以确保符合图纸和规范要求。

5.牺牲阳极及辅助阳极

一是袋装阳极的储存应保持干燥；二是阳极安装应符合规范要求；三是回填时应注意不要损害导线和接线头。

（七）运行和维护

应建立阴极保护系统的最终运行水平，以达到正确的阴极保护准则。做到维护检查、外观检查、补救措施、记录等各项程序和做法的要求。

二、阴极保护技术在电力接地网系统中的应用推广

阴极保护技术在电力接地网系统中应用主要以电阻率较低的条件为原则，对于电阻率较高的岩石及砂砾石等地质条件，阴极保护技术将起不到保护作用，效果不大。

近年来，濮阳市豫安防腐公司一直致力于阴极保护技术在电力接地网系统的开发和利用，已在华北电力、华中电力、山东电力等数十个变电站地网改造、新地网的敷设中采用了该项技术，(如天津110kV郎园站，吴港站，山东济南110kV站等)，提高了变电站地网运行的可靠性，保证了电力系统安全生产。